Startseite > Automation > Sehen bei extremen Lichtverhältnissen

Bildsensor-SoC mit 132 dB Dynamik

Sehen bei extremen Lichtverhältnissen

26. Mai 2010, 11:24 Uhr | Von Pierre-François Rüedi und Simon Gray

▶ Diesen Artikel anhören

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Herausforderung: Dynamik

Der Dynamikbereich von normalen Bildsensoren ist zu klein, um die enorm schwankenden Lichtverhältnisse von natürlichen visuellen Szenen bewältigen zu können, weshalb verschiedene alternative Methoden entwickelt wurden, um dieses Problem zu lösen.

Logarithmische Bildsensoren reagieren proportional zum Logarithmus des einfallenden Photonenflusses. Sie verfügen über einen breiten Dynamikbereich und eine Datendarstellung, bei der Beleuchtungsveränderungen auf dem Bild leicht unterdrückt werden können. Bis jetzt wurde die logarithmische Kompression jedoch im analogen Bereich durchgeführt, was zu einem starken ortsabhängigen Rauschen (Fixed Pattern Noise, FPN) führte und sie somit für kommerzielle Anwendungen unbrauchbar machte.
Die Lin-Log-Bildsensoren arbeiten bei niedriger Beleuchtungsstärke als normale und bei höherer Beleuchtungsstärke als logarithmische Bildwandler. Dabei erreichen sie im linearen Bereich zwar eine gute Leistung, leiden aber im logarithmischen Bereich ebenfalls an starkem Rauschen (FPN). Darüber hinaus haben sie aufgrund der Kombination von linearen und logarithmischen Antworten eine uneinheitliche Transferfunktion.
Bildsensoren mit Mehrfachbelichtung vermeiden zwar das FPN-Problem, doch benötigen sie Datenspeicher sowie eine Bildnachverarbeitung, um einzelne Bildaufnahmen miteinander kombinieren zu können.

Der neue, vom Centre Suisse d’Electronique et Microtechnique SA (CSEM, [1]) entwickelte icycam-Sensor ist das Ergebnis von fast zehn Jahren Forschungsarbeit. Sein Arbeitsprinzip basiert auf einer logarithmischen Codierung in der Zeitdomäne. Damit lässt sich ein extrem großer szeneninterner Dynamikbereich erreichen und gleichzeitig das von der logarithmischen Kompression im Analogbereich verursachte Rauschen (FPN) vermeiden, was zu einer hohen Bildqualität führt. Zusätzlich zur herkömmlichen Information über die Lichtintensität liefert das Pixel-Array auch Größe und Richtung des Kontrastes, um die visuelle Szenenanalyse zu erleichtern.

Das CSEM leistet seit über zehn Jahren Pionierarbeit auf dem Gebiet der Bildsensoren. Nach dem ersten Bildsensor für den Logitech Marble Trackball wurden mehrere Generationen von Bildsensoren entwickelt, die sowohl für hohe Dynamikbereiche als auch für Bildverarbeitungsalgorithmen, wie z.B. optische Zeichenerkennung, optimiert wurden. 2003 stellte das CSEM einen 120-dB-Bildsensor [2] vor, der den lokalen Wert und die lokale Richtung von Bildmerkmalen auf Pixel-Ebene analysieren konnte. Zwar ist dieser Sensor für maschinelles Sehen unter unkontrollierten und schnell ändernden Beleuchtungsbedingungen sehr gut geeignet, doch seine analoge Umsetzung ist im Vergleich zum icycam-Bildsensor-SoC nicht so flexibel und bietet weniger Skalierungsmöglichkeiten.

Durch die Vereinigung von einem Pixel-Array mit hohem Dynamikbereich, Prozessor und Datenspeicher auf ein und demselben Chip erreicht icycam eine beispiellos hohe Integration. Icycam ermöglicht die Bilderfassung und -verarbeitung auf einem Einzelchip, was in Bezug auf Kosten, Größe und Energieaufnahme erhebliche Vorteile mit sich bringt. Das Bildsensor-System-on-Chip wurde für die Bilderkennung in Bereichen wie z.B. Überwachungstechnik, Automobilanwendungen, optische Zeichenerkennung und Steuerungstechnik entwickelt, dort insbesondere für Anwendungen mit unkontrollierter oder schnell ändernder Beleuchtung.